VON NEUMANNOVA ARCHITEKTÚRA: PÔVOD, MODEL, AKO TO FUNGUJE - TECHNOLÓGIE - 2025

Von Neumann architektúra je teoretická konštrukcia, takže počítač môže mať program uložený interne, ktoré slúžia ako základ pre takmer všetky počítače, ktoré sú v súčasnej dobe robil.

Stroj von Neumann pozostáva z centrálnej procesorovej jednotky, ktorá obsahuje aritmetickú logickú jednotku a riadiacu jednotku, ako aj z hlavnej pamäte, sekundárnej pamäte a vstupno / výstupných zariadení.

Zdroj: David strigoi - Vlastná práca, Public Domain, commons.wikimedia.org

Táto architektúra predpokladá, že každé výpočty extrahujú údaje z pamäte, spracúvajú ich a potom ich odosielajú späť do pamäte.

V von Neumannovej architektúre sa rovnaká pamäť a rovnaká zbernica používajú na ukladanie údajov aj inštrukcií, ktoré vykonávajú program.

Vylepšenie architektúry

Pretože k dátovej a programovej pamäti nie je možné pristupovať súčasne, architektúra von Neumanna je náchylná na prekážky a slabý výkon počítača. Toto je známe ako úzke miesto von Neumanna, kde je ovplyvnená sila, výkon a náklady.

Jednou z vykonaných zmien bolo prehodnotenie toho, koľko údajov sa skutočne muselo odoslať do pamäte a koľko sa mohlo uložiť lokálne.

Týmto spôsobom, namiesto toho, aby bolo potrebné odosielať všetko do pamäte, viac vyrovnávacích pamätí a vyrovnávacích pamätí proxy môže znížiť tok údajov z čipov procesora do rôznych zariadení.

pôvod

V roku 1945, po druhej svetovej vojne, dvaja vedci nezávisle vychovávali, ako zostaviť temperovanejší počítač. Jedným z nich bol matematik Alan Turing a druhým bol rovnako talentovaný vedec John Von Neumann.

Brit Alan Turing sa podieľal na prasknutí kódu Enigma v parku Bletchley pomocou počítača „Colossus“. Na druhej strane americký John Von Neumann pracoval na projekte Manhattan na stavbe prvej atómovej bomby, ktorá si vyžadovala veľa manuálnych výpočtov.

Dovtedy boli vojnové počítače viac či menej „programované“ opätovným pripojením celého zariadenia, aby mohli vykonávať inú úlohu. Napríklad prvý počítač s názvom ENIAC trvalo tri týždne, kým sa znova pripojil a vykonal iný výpočet.

Nový koncept spočíval v tom, že do pamäte sa museli ukladať nielen údaje, ale aj program, ktorý tieto údaje spracovával, by sa mal ukladať do tej istej pamäte.

Táto interne uložená architektúra programu je všeobecne známa ako architektúra „Von Neumann“.

Táto nová myšlienka znamenala, že počítač s touto architektúrou by bolo oveľa ľahšie preprogramovať. V skutočnosti by sa s samotným programom zaobchádzalo rovnako ako s údajmi.

Model

Hlavným základom modelu Von Neumann je myšlienka, že program je interne uložený v stroji. Pamäťová jednotka obsahuje dáta a tiež programový kód. Návrh architektúry pozostáva z:

Zdroj: From UserJaimeGallego - Tento súbor je odvodený od Von Neumann Architecture.svg, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

- Centrálna procesorová jednotka (CPU)

Je to digitálny obvod, ktorý je zodpovedný za vykonávanie pokynov programu. Nazýva sa tiež procesor. CPU obsahuje ALU, riadiacu jednotku a sadu registrov.

Logická aritmetická jednotka

Táto časť architektúry sa podieľa iba na vykonávaní aritmetických a logických operácií s údajmi.

K dispozícii budú obvyklé výpočty sčítania, násobenia, delenia a odčítania, budú však k dispozícii aj porovnania údajov ako „väčšie ako“, „menšie ako“ a „rovné“.

Kontrolná jednotka

Riadi činnosť ALU počítača, pamäte a vstupných / výstupných zariadení počítača a dáva im pokyny, ako postupovať podľa pokynov v programe, ktorý ste práve prečítali z pamäte.

Riadiaca jednotka bude riadiť proces presunu dát a programov do az pamäte. Postará sa tiež o vykonávanie inštrukcií programu, jeden po druhom alebo postupne. To zahŕňa myšlienku registra, ktorý bude uchovávať stredné hodnoty.

záznamy

Sú to vysokorýchlostné úložné oblasti na CPU. Pred spracovaním musia byť všetky údaje uložené v registri.

Register pamäťových adries obsahuje pamäťové miesto dát, ku ktorým sa má pristupovať. Register údajov o pamäti obsahuje údaje, ktoré sa prenášajú do pamäte.

- Pamäť

Počítač bude mať pamäť, v ktorej sú uložené údaje, ako aj program na spracovanie týchto údajov. V moderných počítačoch je táto pamäť RAM alebo hlavná pamäť. Táto pamäť je rýchla a dostupná priamo z CPU.

RAM je rozdelená do buniek. Každá bunka pozostáva z adresy a jej obsahu. Adresa jednoznačne identifikuje každé miesto v pamäti.

- Vstupný výstup

Táto architektúra umožňuje zachytiť myšlienku, že človek musí so strojom pracovať prostredníctvom vstupno-výstupných zariadení.

- Autobus

Informácie musia prúdiť medzi rôznymi časťami počítača. V počítači s architektúrou von Neumann sa informácie prenášajú z jedného zariadenia na druhé pozdĺž zbernice, pričom všetky CPU jednotky sa pripájajú k hlavnej pamäti.

Adresová zbernica nesie adresy dát, ale nie dát, medzi procesorom a pamäťou.

Dátová zbernica prenáša dáta medzi procesorom, pamäťou a vstupno-výstupnými zariadeniami.

Ako funguje architektúra von Neumanna?

Relevantným princípom architektúry von Neumanna je to, že dáta aj inštrukcie sú uložené v pamäti a spracované rovnako, čo znamená, že inštrukcie a dáta sú smerové.

Funguje to pomocou štyroch jednoduchých krokov: nájdenie, dekódovanie, vykonanie, uloženie, ktoré sa nazýva „strojový cyklus“.

Inštrukcie sú získavané CPU z pamäte. CPU potom tieto inštrukcie dekóduje a vykoná. Po dokončení cyklu vykonávania pokynov sa výsledok uloží späť do pamäte.

Hľadať

V tomto kroku sa inštrukcie získajú z pamäte RAM a uložia do vyrovnávacej pamäte pre prístup riadiacej jednotky.

dekódovať

Riadiaca jednotka inštrukcie dekóduje takým spôsobom, aby ich logická aritmetická jednotka im mohla porozumieť a potom ich poslala do logickej aritmetickej jednotky.

beh

Aritmetická logická jednotka vykoná pokyny a výsledok odošle späť do vyrovnávacej pamäte.

Na sklade

Keď počítadlo programov indikuje zastavenie, konečný výsledok sa stiahne do hlavnej pamäte.

úzky profil

Ak chce stroj Von Neumann vykonať operáciu s údajmi v pamäti, musí sa preniesť cez zbernicu do CPU. Po vykonaní výpočtu musí byť výsledok presunutý do pamäte cez tú istú zbernicu.

Zúženie Von Neumann nastane, keď sa údaje vkladajú alebo odstraňujú z pamäte, kým sa aktuálna operácia pamäte dokončí.

To znamená, že ak procesor práve dokončil výpočet a je pripravený vykonať ďalší, musí zapísať dokončený výpočet, ktorý zaberá zbernicu, do pamäte predtým, ako môže načítať nové údaje z pamäte, ktorá tiež používa tú istú zbernicu.

Toto úzke miesto sa postupom času zhoršovalo, pretože mikroprocesory zvýšili svoju rýchlosť a na druhej strane pamäť nepostupovala tak rýchlo.

výhoda

- Riadiaca jednotka získava údaje a pokyny rovnakým spôsobom z pamäte. Preto je návrh a vývoj riadiacej jednotky zjednodušený, lacnejší a rýchlejší.

- Údaje zo vstupných / výstupných zariadení a hlavnej pamäte sa získavajú rovnakým spôsobom.

- Organizáciu pamäte vykonávajú programátori, čo umožňuje využívať celú kapacitu pamäte.

- Spravovanie jedného pamäťového bloku je jednoduchšie a ľahšie dosiahnuteľné.

- Dizajn mikrokontroléra je omnoho jednoduchší, pretože bude mať prístup iba k jednej pamäti. Najdôležitejšou vecou mikrokontroléra je prístup do pamäte RAM a v architektúre von Neumanna sa dá použiť na ukladanie údajov aj na ukladanie programových pokynov.

Vývoj operačných systémov

Hlavnou výhodou rovnakej pamäte pre programy a dáta je to, že programy môžu byť spracované tak, akoby išlo o dáta. Inými slovami, môžete písať programy, ktorých údaje sú inými programami.

Program, ktorého údaje sú iným programom, nie je ničím iným ako operačným systémom. V skutočnosti, ak by programy a dáta neboli povolené v rovnakom pamäťovom priestore, ako je to v prípade architektúry von Neumanna, operačné systémy by nikdy nemohli byť vyvinuté.

nevýhody

Aj keď výhody ďaleko prevažujú nad nevýhodami, problém spočíva v tom, že existuje len jedna zbernica spájajúca pamäť s procesorom, takže je možné vyzdvihnúť naraz iba jednu inštrukciu alebo jednu dátovú položku.

To znamená, že procesor pravdepodobne bude musieť čakať dlhšie, kým dorazí dáta alebo pokyny. Toto je známe ako úzke miesto von Neumanna. Pretože procesor je omnoho rýchlejší ako dátová zbernica, znamená to, že je často nečinný.

- Vzhľadom na postupné spracovanie pokynov nie je povolená súbežná implementácia programu.

- Zdieľaním pamäte existuje riziko, že jedna inštrukcia bude zapísaná nad druhou kvôli chybe v programe, ktorá spôsobí zlyhanie systému.

- Niektoré chybné programy nemôžu po dokončení pamäte uvoľniť pamäť, čo môže spôsobiť nedostatočnú pamäť počítača.

- Dáta a pokyny zdieľajú tú istú dátovú zbernicu, aj keď rýchlosť, ktorú je potrebné získať, je zvyčajne veľmi odlišná.

Referencie

1. Polovodičové inžinierstvo (2019). Von Neumann Architecture. Prevzaté z: semiengineering.com
2. Scott Thornton (2018). Aký je rozdiel medzi architektúrou Von-Neumann a Harvard? Tipy pre mikrokontroléry. Prevzaté z: microcontrollertips.com.
3. Vyučovať IKT (2019). Stroj Von Neumann. Prevzaté z: teach-ict.com.
4. Informatika (2019). Von Neumann Architecture. Prevzaté z: computerscience.gcse.guru.
5. Naučte sa to s pánom C (2019). Stroj Von Neumann. Prevzaté z: learnnitwithmrc.co.uk.
6. Solid State Media (2017). Ako fungujú počítače? Architektúra Von Neumanna. Prevzaté z: solidstateblog.com.